摘要：通过对洛阳市某PTA化工厂进行工程勘察和吸附实验、生物降解实验、土柱淋滤实验求取了包气带物质运移的相关参数，利用Hydrus-1D软件对CODCr在蓄水池下包气带中的迁移进行了模拟预测。结果显示，不采取防渗措施时，正常工况、非正常工况、一般事故和风险事故4种工况下，CODCr从蓄水池底部超标迁移至潜水所需要的时间分别为5.4 a、5 a、4.9 a、3.8 a，该污水蓄水池污染当地地下水风险很高；若在蓄水池下铺设2.5 m厚的黏性土垫层，则四种工况下CODCr从蓄水池底部超标迁移至潜水所需要的时间分别为12.2 a、10.5 a、9.1 a、6.8 a。

　　中国论文网 http://www.xzbu.com/8/view-7043607.htm关键词：包气带；地下水；数值模拟；风险评价中图分类号：P641；X824 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2015）03-0439-05Abstract：Engineering investigation and a series of experiments，including the static adsorption，biodegradation，and dynamic soil column leaching experiments，were conducted at a PTA chemical plant in Luoyang to determine the solute transport parameters in the vadose zone.The migration of CODCr in the vadose zone of the sewage reservoir was simulated using Hydrus-1D. The results showed that （1） it takes 5.4，5，4.9，and 3.8 years for CODCr to migrate from the reservoir bottom to water table under the normal，abnormal，ordinary accident，and risk accident conditions respectively without any anti-seepage measures，and the groundwater pollution risk caused by the sewage reservoir is high；and （2） it takes 12.2，10.5，9.1，and 6.8 years for CODCr to migrate from the reservoir bottom to water table under the normal，abnormal，ordinary accident，and risk accident conditions respectively if there is a 2.5-m thick clay layer under the sewage reservoir.

　　Key words：vadose zone；groundwater；numerical simulation；risk assessment精对苯二甲酸（Purified Terephthalic Acid，简称PTA）是生产涤纶短纤和聚酯的主要原料，随着其生产规模的不断扩大，工厂PTA废水的排放迅速增加。PTA废水主要包括工艺废水、残渣浆料和清洗废水[1]，属于有机物浓度高、成分复杂且难以降解的化工废水，其CODCr浓度高达4 000～10 000 mg/L，是城市生活污水的几十倍[2]。因此若直接排放这些有机废液会向下迁移进入包气带造成土壤污染，甚至通过包气带迁移至地下水中造成地下水的严重污染，威胁人类的身体健康[3-6]。

　　洛阳市某化工厂年产100万t PTA，排污水总量约305 m3/h。场地包气带介质为第四系黄土，地下水资源丰富，水质优良，不仅是周边横涧、全义、上河、清庄、坡底、顺[HJ2mm]涧等村庄居民饮用水水源，更是该石油化工基地10多万人生产与生活水源。本文通过吸附实验、生物降解实验、土柱淋滤实验获取了研究区在包气带中的物质迁移规律及其相关参数，并采用Hydrus-1D对CODCr的迁移能力进行模拟预测，同时提出相应的污染防控对策。

　　1 参数获取1.1 实验方法[BT4][STHZ]1.1.1 土壤取样与预处理取样：供试土样为洛阳市某生产PTA的化工厂附近未受污染的粉质黏土。供试土壤的物理参数见表1。

　　预处理：将所取新鲜土样自然风干，去除其中的植物根等杂物，然后将风干后的样品研磨过20目筛后密封备用。

　　由图1可知，废液中CODCr在粉质黏土中的吸附分为3个阶段：第一阶段为0～1 h，为线性快速吸附阶段，吸附量迅速达到0.58 mg/g；第二阶段为1～5 h，为解吸-再吸附阶段，迅速解吸到0.23 mg/g，随后再次吸附至0.59 mg/g；第三阶段为5 h以后，为平衡吸附阶段，吸附量变化幅度小，最大吸附量发生在7 h，达1.34 mg/g。

　　根据该曲线确定粉质黏土对CODCr的吸附平衡时间为24 h，平衡时的吸附量为1.05 mg/g。

　　通过不同浓度的等温吸附实验得到的等温吸附数据，在origin 8.5.1软件中，分别用线性等温吸附方程、Langmuir 等温吸附方程和Freundlich 等温吸附方程对数据进行拟合，分别得到各模型等温吸附曲线，见图2。

　　根据拟合方程，得到各等温吸附方程的参数，见表2。

　　由图2和表2可以看出，线性等温吸附方程与实验数据拟合最好，相关系数是0.937 27。其中，Langmuir 等温吸附方程中的Sm的值为负值，与实际情况相违背（实验选用未受污染的土样）。因此选用线性等温吸附方程来描述粉质黏土对废液中CODCr的吸附，分配系数为Kd为0.263 cm3/g。 　　2 地下水污染模拟与预测地下水污染风险由污染概率与可能造成的污染后果构成[7-9]。

　　2.1 地下水的污染概率评估该蓄水池场地下地下水的污染概率主要由污染物穿过蓄水池底部10 m厚的包气带土层可能性决定，这就需要利用前述实验研究取得的参数等结果进行数值模拟，计算污染物在水力作用下在包气带中的迁移能力，即污染物穿过10 m厚土层所需的时间。

　　（1）水分运动模型。

　　在刚性多孔介质中，忽略空气热量作用和根系吸水作用，均衡水流垂向运移可以用修正的Richards方程描述：

　　2.2 地下水污染模拟预测依据地下水质量标准[12]，等级劣于Ⅲ类水不宜饮用。Ⅲ类水的高锰酸盐指数为<3 mg/L。根据王秀芹[13]等得出的结果：化学需氧量（重铬酸盐法）[HJ1.8mm]测定数值为高锰酸盐指数法测定数值的2倍左右，可以计算得出CODCr大于6 mg/L即为地下水超标。由于该污水蓄水池场地之下包气带厚度为10 m，因此以下将计算污染物穿过10 m包气带时地下水超过III类地下水质所需要的时间。

　　蓄水池计划蓄水高度为5 m，在不考虑降水、蒸发等因素的条件下，针对正常工况、非正常工况、一般事故和风险事故四种情形下，设定蓄水池中的初始CODCr的浓度为4 000 mg/L（选取工厂废液中CODCr浓度范围中的最低值）、7 000 mg/L、9 000 mg/L、80 000 mg/L，不采取任何的防护措施，持续注入此废水时，利用Hydrus-1D进行模拟计算CODCr从蓄水池底部迁移10 m后，CODCr超标所需要的时间，结果见图6。可以看出，四种情形下，CODCr从蓄水池底部迁移10 m后，CODCr刚刚超标所需要的时间分别为5.4 a、5 a、4.9 a、3.8 a。

　　3 地下水的污染风险评价与防控对策3.1 地下水的污染风险评价通过上述计算可知，在初始浓度分别为4 000 mg/L、7 000 mg/L、9 000 mg/L、80 000 mg/L的情形下，洛阳市PTA化工厂污水池分别在使用5.4 a、5 a、4.9 a、3.8 a后，将污染地下水源。由于该地下水源地不仅是周边横涧、全义、上河、清庄、坡底、顺涧等村庄居民饮用水水源，更是该石油化工基地10多万人生产与生活水源，因此该水源的污染将影响10多万人口的石化基地供水，造成巨大的经济损失。

　　3.2 地下水污染防控对策（1）蓄水池宜采用抗渗钢筋混凝土结构，最大裂缝宽度不应该大于0.20 mm，并不得贯通。

　　（2）地基防渗处理以及铺设黏性土垫层。最有效的防控方法是蓄水池底部铺设黏性土垫层，其成本低，易操作[14-18]。根据模拟计算，若渗透系数为2×10-7 cm/s黏性土层厚度为2.5 m，那么在同样的条件下，正常工况、非正常工况、一般事故和风险事故四种情形下，蓄水池中CODCr从蓄水池底部迁移超标进入地下水所需要的时间分别为12.2 a，10.5 a，9.1 a，6.8 a。因此，应该重视地基土的防渗处理，针对包气带地基土的特点，可选用水泥粉煤灰碎石桩、水泥搅拌桩等地基处理方法，既可以加固地基，提高地基承载力，又可以达到防渗目的。不过，更重要的还是应该严格控制蓄水池污水初始浓度，以先进的清洁生产水平减少废水的产生以及控制废水的浓度。

　　（3）设置地下水污染监控井。在厂区外地下水水流上游应设不少于1眼地下水背景监测井，厂区外地下水水流下游应设不少于3眼地下水污染监测井，应呈扇形布置。厂区外的地下水污染监控井宜选用取水层与监测目的层相一致、距厂址较近的工业、农业生产用井为监控井；若无合适井可以利用，应在厂界外就近设置监控井。另外，应设置一眼抽水井，用于地下水污染事故应急处理。

　　（4）采取风险事故应急响应措施。事故发生时，必须立即采取措施。对少量泄露，用合适的材料吸收，或者用大量水冲洗，将洗水稀释后进入废水系统；若大量泄露，应构筑围堰或挖孔收容，用防爆泵及时转移，回收处理。

　　当通过监测发现对周围地下水造成污染时，根据监测井的反馈信息，启动地下水污染事故应急处置抽水井，对污染防治区地下水人工开采形成地下水漏斗，控制污染区地下水流场，阻滞污染物扩散。

　　4 结论（1）实验中粉质黏土对所取工厂废液CODCr的吸附和降解率比较低，分别为0.263 cm3/g、0.0101 d-1；工厂废液CODCr在包气带粉质黏土中的弥散度较低，为0.10 m，说明该污水蓄水池场地包气带介质对废液中CODCr的天然防污性能不足，若不采取任何防渗措施，正常工况、非正常工况、一般事故和风险事故四种情形下，污染物分别在5.4 a，5 a，4.9 a，3.8 a左右穿过10 m厚的包气带超标进入地下水造成污染。

　　（2）如果铺设2.5 m的黏土层，4种情形下，CODCr从蓄水池底部迁移超标进入地下水所需要的时间分别延长到12.2 a、10.5 a、9.1 a、6.8 a。

　　（3）对于此类蓄水池对地下水污染风险的防控对策，不仅要在蓄水池底部根据需要铺设适当厚度的黏性土垫层，更要在加强与完善蓄水池设计、监控井设置以及风险事故应急机制等方面。

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